EDUCATIONAL

La ricerca di biosignature molecolari è uno degli obiettivi prioritari delle missioni di esplorazione del pianeta Marte come Mars 2020 e ExoMars, che sono equipaggiate con strumenti idonei alla rivelazione di questo tipo di biosignature, attraverso l’utilizzo della spettroscopia infrarossa e Raman, la spettrometria di massa accoppiata alla gas cromatografia o alla tecnica di ionizzazione per desorbimento laser. L’interpretazione dei dati acquisiti da questi strumenti su Marte richiede studi sistematici di laboratorio che simulino l’ambiente planetario e permettano di investigare l’evoluzione di eventuali biomolecole soggette a vari fenomeni di alterazione che possano essere avvenuti sul pianeta. Tali studi sono fondamentali anche per selezionare i migliori campioni da analizzare in situ e/o da riportare sulla Terra in missioni di sample return.

Nell’ambito di una tesi triennale di durata di circa 1 mese, lo studente potrà svolgere una tra le seguenti attività a supporto di tali missioni spaziali presso il laboratorio di Astrobiologia dell’Osservatorio Astrofisico di Arcetri:

• Preparazione e caratterizzazione di campioni analoghi marziani con strumenti analoghi;

• Esperimenti di irraggiamento ultravioletto degli analoghi marziani utilizzando una camera di simulazione marziana;

• Realizzazione di un database di riferimento per interpretare i dati di missione, che aiuti a riconoscere biosignature molecolari nei depositi minerali che saranno esplorati su Marte.

Relatori: Teresa Fornaro/John Brucato

Durata: 1 mese

Risorse: Articolo 1, Articolo 2

Gli asteroidi rappresentano ancora oggi uno degli argomenti di ricerca più affascinanti e misteriosi del Sistema Solare. Questi piccoli corpi rocciosi oltre a presentare una grande varietà di composizione in alcuni casi possono contenere abbondanti composti organici ed acqua rendedoli uno dei principali veicoli per il trasferimento di materiale prebiotico nel Sistema Solare. Negli ultimi anni molte missioni spaziali sono state lanciate per esplorare questi corpi celesti e in alcuni casi raccogliere campioni da riportare a Terra, tra quest'ultime le missioni OSIRIS-REx (NASA) e Hayabusa2 (JAXA) hanno riportato a Terra campioni da asteroidi primitivi ricchi di organici. Simulare in laboratorio le superfici di questi asteroidi e capire come la composizione e le proprietà fisiche dei grani possano influenzare le osservazioni, sia da Terra con telescopi che da missioni spaziali, è uno degli obbiettivi principali della planetologia moderna.

Tra i possibili obbiettivi della tesi ci sono:

• Realizzazione e caratterizzazione completa di campioni analoghi e studio di effetti sullo spettro infrarosso dell’ambiente spaziale simulato della superficie di asteroidi (cicli di temperatura giorno/notte e condizioni di alto vuoto).

• Studio degli effetti di selezione delle dimensioni dei grani su minerali e meteoriti attraverso l’analisi infrarossa delle componenti spettrali (effetti su remote sensing e preservazione organici)

• Analisi spettrale e confronto degli spettri di laboratorio con i dati raccolti in remote sensing per supporto alle missioni spaziali OSIRIS-REx (NASA), Hayabusa2 (JAXA), Hera (ESA) e RAMSES (ESA)

Relatori: Giovanni Poggiali/John Brucato

Durata: 1 mese

Risorse: Articolo 1, Articolo 2

Gli organismi fotosintetici stanno guadagnando grande interesse oggigiorno in ambito spaziale, per via delle loro crescenti applicazioni astrobiologiche all'interno ad esempio dei Sistemi di Supporto Vitale Biorigenerativi (BLSS) o per la produzione di biomolecole di interesse. Al di fuori dell'atmosfera terrestre tuttavia, la radiazione stellare e cosmica può danneggiare irreparabilmente questi organismi, inficiando il loro futuro uso in ambienti spaziali come la bassa orbita terrestre (LEO), la superfice lunare, o quella marziana. E' quindi di grande importanza lo studio della resistenza di questi organismi alle radiazioni, sia UV che ionizzanti. 

Tra i possibili obbiettivi della tesi ci sono:

• Condurre esperimenti di irraggiamento UV su microorganismi fotosintetici o su complessi antenna estratti da questi microorganismi

• Raccogliere spettri di assorbimento UV-VIS al variare del tempo di irraggiamento UV

• Analizzare gli spettri di assorbimento UV-VIS tramite PC per determinare il loro tempo di emivita e stabilire la resistenza UV dei microorganismi

Relatori: Mariano Battistuzzi/John Brucato

Durata: 1 mese

X. parietina è un lichene noto in ambito astrobiologico per la sua resistenza a molte condizioni estreme, tra cui la radiazione UV. Parte della capacità di resistenza del lichene a questo stressore è dovuta alla molecola UV-protettiva parietina, un metabolita secondario prodotto dal lichene per proteggere il fotobionte (partner algale nella simbiosi del lichene) dalla radiazione UVB e visibile (se troppo intensa). Lo studio di questa molecola e della sua stabilità nei confronti della luce UV è di grande importanza dunque per comprendere la resistenza piu' ampia di X. parietina a questo stressore.

In questa tesi triennale della durata di 1 mese, lo studente avrà l'opportunità di:

• Condurre esperimenti di irraggiamento UV sulla molecola parietina pura (prodotta sinteticamente) o estratta da X. parietina

• Raccogliere spettri di assorbimento UV-VIS al variare del tempo di irraggiamento UV

• Analizzare gli spettri di assorbimento UV-VIS tramite PC per determinare il tempo di emivita della bande di assorbimento della parietina e stabilire la sua resistenza UV quando isolata dal lichene

• Analizzare in LC-MS la molecola pre e post irraggiamento, per indagare l'eventuale generazione di fotoprodotti o prodotti di degradazione in conseguenza all'irraggiamento UV

Relatori: Mariano Battistuzzi/John Brucato

Durata: 1 mese

Risorse: Articolo 1

The search for molecular biosignatures is one of the primary objectives of Mars exploration missions such as Mars 2020 and ExoMars, which are equipped with instruments capable of detecting this type of biosignature through infrared and Raman spectroscopy, as well as mass spectrometry coupled with gas chromatography or laser-desorption ionization techniques. Interpreting the data acquired by these instruments on Mars requires systematic laboratory studies that simulate the planetary environment and allow investigation of the evolution of potential biomolecules subjected to various alteration processes that may have occurred on the planet. Such studies are also essential for selecting the best samples to analyze in situ and/or return to Earth in future sample-return missions.

We summarize below the various activities that the student may carry out at the Astrobiology Laboratory of the Arcetri Astrophysical Observatory as part of a Master’s thesis (6–9 months), in support of these space missions:

• Preparation and characterization of Martian analogue samples using laboratory analogue instruments; 

• Ultraviolet irradiation experiments on Martian analogues using a Mars-simulation chamber; 

• Ion-irradiation experiments on Martian analogues; 

• Detectability/sensitivity tests of space instruments onboard the ExoMars and Mars 2020 rovers, an activity that may also be carried out in collaboration with several institutes, including: the Laboratoire Interuniversitaire des Systèmes Atmosphériques (LISA) of the University of Paris, the Laboratoire Atmosphères, Milieux, Observations Spatiales (LATMOS) in France, the University of Valladolid in Spain, NASA’s Goddard Space Flight Center, and NASA’s Jet Propulsion Laboratory in the United States; 

• Development of a reference database to support the interpretation of mission data and help identify molecular biosignatures within the mineral deposits to be explored on Mars.

Supervisor: Teresa Fornaro/John Brucato

Duration: 6-9 month

References:

• Mars2020 Perseverance website

• Organic detection in Jezero crater paper

• Organic survivability paper

The Martian Moon eXploration mission led by the Japanese Space Agency JAXA will explore the Martian system and in particular the two moons Phobos and Deimos. The main objective of the mission is to investigate the origin of the two moons and to discern between two major hypothesis: the capture of primitive asteroid or a giant impact similar to the formation of Earth's Moon. The MMX mission will observe the moons with several instruments (including an infrared spectrometer, an X-ray/Gamma spectrometer, a Raman spectrometer and several cameras) and will collect a sample to bring it back on Earth in 2031. The strong synergy between laboratory experiments and remote sensing data analysis is a pivotal tool to interpret the data collected by MMX and to shed a light on the unknown origin of the two moons. 

We summarize below the various activities that the student may carry out at the Astrobiology Laboratory of the Arcetri Astrophysical Observatory as part of a Master’s thesis:

• Preparation and characterization of Phobos and Deimos analogue samples using laboratory instruments; 

• Analysis of remote sensing data from previous mission like Mars Express (ESA), Mars Global Surveyor (NASA) and Mars Reconnaissance Orbiter (NASA)

• Work on data analysis and thermal modelling in support of MIRS spectrometer on board the MMX mission

• Study on survival of organic compounds in Phobos environment to support the selection of the sample collection

• Creation of a sample database for the MMX for cross-study between the different instruments of the mission

Supervisor: Giovanni Poggiali/John Brucato

Duration: 6-9 months

References:

• MMX mission website

• MMX mission paper

• MIRS instrument paper

• Phobos and Deimos analogs paper

LICIACube mission was the first deepspace italian cubesat to testify the impact between the DART spacecraft and the asteroid Didymos-Dimorphos in the framework of the planetary defence test to deflect dangerous asteroids. Several color images were obtained that can be linked with a variety of geological and physical properties such as differences in composition between the surface and the subsurface, surface grain properties, ejected material structure, etc. Moreover the effect of observational geometry will play a critical role in these kind of analysis. Indeed, the study of the data obtained by the mission is pivotal to support the future planetary defence initiative such as Hera (ESA) and RAMSES (ESA) missions and the laboratory support will improve our capability of intepret the data.  

We summarize below the various activities that the student may carry out at the Astrobiology Laboratory of the Arcetri Astrophysical Observatory as part of a Master’s thesis (6–9 months):

• Analysis of RGB images obtained by LICIACube from the surface of Didymos and the ejected material from Dimorphos

• Laboratory preparation of analog sample of Didymos and other asteroid target of space missions

• Set-up of experimental apparatus to study the effect of different geometry observation on analog material

• Study the effect of asteroid environement (vacuum and irradiation) on organic compounds

• Creation of a laboratory sample database for the instruments on board Hera and RAMSES missions 

Supervisor: Giovanni Poggiali/John Brucato

Duration: 6-9 months

References:

• Hera mission website

• RAMSES mission website

• LICIACube paper on ejecta observations

The Moon is back as main target of several national space agency and private companies. The importance of our natural satellite include advancement of scientifical knowledge, support for long human presence in space and retrival of resources. One of the main point of the scientific exploration of the Moon is the search of volatiles and water both on the surface (at the north and south poles) or in subsurfaces. In the framework of new planned and proposed missions and payload for the Moon exploration the support of laboratory activity is fundamental to understand the capability of each measurement technique and to assure the success of positive volatile and water detection. Examining the interaction between lunar analog minerals and organic/volatile molecule is the key strategy to interpret remote sensing data.

We summarize below the various activities that the student may carry out at the Astrobiology Laboratory of the Arcetri Astrophysical Observatory as part of a Master’s thesis (6–9 months):

• Characterization with IR and Raman spectroscopy of Moon simulant, meteorites and returned samples investigating their interaction with organics and volatiles 

• Study of organic/volatiles survivability against thermal alteration and UV irradiation in simulated lunar environment

• Analysis of remote sensing data and comparison with laboratory measurments to support the preparation and landing site selection for future missions

• Development and test of measurement protocols for in-situ payload for analysis of organics presence in regolith

• Invetigation on geometry effect and regolith physical properties influence on remotes sensing data, in particular infrared spectroscopy and visible spectrophotometry

Supervisor: Giovanni Poggiali/John Brucato

Duration: 6-9 months

Reference: 

• ESA PROSPECT payload website

• NASA Moon Exploration website

• Abstract at LSSW2025 Workshop

The ESA-NASA ExoMars mission is set to land at Oxia Planum, an ancient fluvial-deltaic sedimentary system formed during the late Noachian/Early Hesperian, deemed an ideal location to search for well-preserved organic compounds, putative microorganisms, or their degradation products. Given the absence of a thick atmosphere on Mars, UV and ionizing radiation impinge on the surface of the planet constantly, making the search for sign of life on the surface and subsurface of Mars complex. Up to now, most of the studies on radiation resistance and survivability of microorganisms were conducted on aerobic non-photosynthetic microorganisms. Studies on metabolisms which were deemed important for early Earth (e.g. anoxygenic photosynthesis) lack, and therefore investigation in this regard is much needed to accomplish the scientific objectives of ExoMars program. Studies on radiation resistance mostly relied on ionizing radiation through X- and gamma-rays, while studies utilizing H and He ions, mimicking the solar wind, are much rarer.

In this Master thesis, the candidate will have the opportunity to investigate, within the "AnoxyMars" project, the radiation resistance of photosynthetic anoxygenic microorganisms representatives of metabolisms which could have been present on Mars during the Late Noachian/Early Amazonian or could be present nowadays. Organisms will be irradiated by UV photons and ionizing radiation with and without mixing them with Oxia Planum analogue soil, simulating both surface and subsurface radiative environment. After irradiation, the survivability of the microorganisms and the molecules derived from their degradation will be investigated using both laboratory instruments and the engineering models of the Rosalind Franklin scientific payload. 

We summarize below the various activities that the student may carry out at the Astrobiology Laboratory of the Arcetri Astrophysical Observatory as part of a Master’s thesis:

• Preparation of samples of anoxygenic photosynthetic microorganisms mixed or not with a martian regolith simulant for the UV/IR exposure; 

• Ultraviolet irradiation of the samples in Mars relevant environmental conditions; 

• Ion-irradiation experiments of the samples; 

• Detectability assessment of the irradiated samples through laboratory instrumentation, comprising for example Raman, FTIR and micro-IR spectroscopy, and Liquid Chromatography- Mass Spectrometry; 

• Detectability/sensitivity tests through the engineering models of the ExoMars rovers, an activity that will be carried out in collaboration with both national and international institutes;

• Development of a reference database to support the interpretation of mission data and help identify molecular biosignatures within the mineral deposits to be explored on Mars.

Supervisor: Mariano Battistuzzi/John Brucato

Duration: 6-9 months

Reference: 

• Paper on habitability and search for Biosignatures